(19) Reglementarea acțiunii genelor.
Reglementarea acțiunii genelor în prokaryotes și eucariote este diferită.
Sistemul operon pentru reglarea acțiunii genomului procariotic
Expresia genetică este procesul de transfer de la ADN prin ARN la polipeptide. Organizarea genelor în prokaryotes și eucariote este diferită. Genele procariotice sunt continue, iar genele eucariotelor au o structură mozaică. De asemenea, pentru procariote, tipul caracteristic al organizației genelor este caracteristic.
Supraviețuirea bacteriilor depinde de capacitatea de a schimba metabolismul de la un substrat la altul. Pentru această capacitate, genele bacteriene sunt grupate împreună astfel încât enzimele necesare pentru determinarea căii biosintetice sunt codificate de gene sub control comun.
Întregul sistem, inclusiv genele structurale și elementele care controlează expresia lor, se numește un operon (o unitate de transcriere și reglare în bacterii).
În 1961, a fost elaborată o schemă de reglementare a acțiunii genelor la nivelul transcripției, utilizând exemplul operonului lac al E. coli. Rezultatul activității operonului este sinteza, ca regulă, a enzimelor adaptive legate de funcțiile biochimice (cele constitutive sunt în mod constant în celulă, iar cele adaptative apar ca urmare a modificării condițiilor de mediu). Enzimele constitutive din E. coli utilizează glucoza. Atunci când glucoza este înlocuită cu lactoză, sunt necesare beta-galactozidază și galactosidermiază. Aceste enzime sunt codificate prin 3 gene structurale: Z, Y, A. Se combina cu un promotor si un terminator transcriptional pentru a forma un operon. De asemenea, regulatorul de regulator care codifică proteina represoare intră în regimul de reglare a operonului. Regulatorul de gena nu face parte din operon. Sintetizat de represorul său, blochează transcrierea operonului în prezența glucozei.
Deși ARN polimeraza poate contacta promotorul, acesta nu se deplasează dincolo de operatorul "off". Și genele Z, Y, A nu funcționează. Atunci când se înlocuiește glucoza cu lactoză, represorul proteic este inactivat temporar prin acțiunea substratului de lactoză. Represorul proteic se detașează de operon, ceea ce deschide calea pentru moleculele ARN polimerazei de a muta și transcrie 3 gene. Ie genele structurale eliberate din controlul operatorului încep să fie exprimate, producând enzime adaptive. Reducerea concentrației de lactoză servește ca un semnal pentru conectarea proteinei represor la operator și oprirea transcrierii operonului lac.
Distanța dintre gena operatorului și operon indică faptul că represorul este un produs solubil în citoplasma prezentă sub formă activă atunci când glucoza este prezentă în mediu.
Modelul de reglare a acțiunii genelor operonului lac în E. coli este numit negativ, produsul genetic al regulatorului inhibă transcripția, adică are un efect negativ asupra expresiei.
Mai târziu, sa constatat că, împreună cu un sistem de reglementare negativ, operonul lac este, de asemenea, sub control pozitiv. Dacă cultivați glucoza + lactoza pe un mediu, utilizarea lactozei va începe numai după utilizarea tuturor glucozei. Transcripția operonului lac este controlată de molecula efectoare - AMP ciclic (c AMP) și proteina de către activatorul proteinei Cap. Prezența lor nu este represiune, ci activarea transcrierii. După ce a intrat în complex cu c AMP, Cap-proteină este activată și numai după care este atașat la site-ul dvs. la promotorul, întărind în mod repetat transcrierea genelor LAC-operonului. Mai mult, transcripția lac-genelor este posibilă numai în absența sau absența glucozei. Cu o cantitate excesivă de complex de glucoză c AMP + Cap-proteină nu se formează. c AMP a primit numele de "semnal de foame" în bacterii.
Principalul avantaj al organizării operonilor de gene în prokaryotes este coordonarea regularității activității.
Cascadă tip de reglementare a eucariotelor
Reglarea activității genelor eucariote este mult mai complicată și mai puțin studiată. În primul rând, ele au un nucleu separat și cromozomi complexe. Și, prin urmare, transcrierea și traducerea au fost separate în timp și spațiu. În al doilea rând, organismele eucariote (aproape toate) multicelulare cu o specializare clară a țesuturilor și a organelor.
Grupele structurale de eucariote sunt împărțite în:
genele de "menaj". Ele funcționează în toate celulele corpului în toate etapele (genele care codifică proteinele-histone, rRNA, tARN, ADN polimeraza).
Genele de lux. Ele funcționează în celule ale aceluiași țesut sau specifică pentru un singur tip de celulă (genele hemoglobinei).
Reglarea acțiunii genelor poate avea loc în orice stadiu al sintezei proteinelor. ADN → ARN → proteină. Mai mult, mecanismul de reglare a acțiunii genelor în eucariote este mai flexibil. Procarioții au principiul "totul sau nimic", iar în eucariote, de la expresia completă la represiunea completă. Acest lucru se realizează datorită modificării locale a ADN-ului, modificărilor în condițiile intracelulare.
Reglarea activității genelor la nivelul transcripției.
Eucariotele au elemente specializate de reglementare:
Acestea sunt secvențe de nucleotide scurte. Acțiunea lor este asociată cu o modificare a structurii cromatinei.
Secvențele de amplificator servesc ca situsuri specifice de legare pentru proteinele specifice de reglare care activează procesul de transcripție. Acestea pot fi amplasate în orice orientare și la orice distanță de promotor.
ADN între promotorul și intensificatorul formează o buclă, prin care proteinele asociate cu intensificator interacționează direct cu unul dintre factorii de transcripție generali sau molecula de ADN polimerază în sine. Cu ajutorul proteinelor de regulator, fiecare genă este activată și dezactivată.
Reglementarea armonizată a genelor.
În eucariote, genele care controlează diferitele etape ale uneia și celeilalte căi de metabolizare sunt împrăștiate în genom. Acestea pot fi localizate chiar și în diferite cromozomi. Cu toate acestea, ele se caracterizează prin reglementarea coordonată a acțiunii genelor. Ca răspuns la acțiunea diferiților inductori, este activată o întreagă baterie de gene. Acest lucru este facilitat de existența repetițiilor omoloage de la capătul 5 'al diferitelor gene. Semnalele de inducție servesc ca o cheie, deschizând blocarea în diferitele genuri ale grupului. Un exemplu de reglementare consecventă poate fi activarea genelor șocului termic prin șocul de căldură.
Homeobox și participarea sa la reglementarea genelor
În anii '90. secolului 20 s-a constatat că multe gene care controlează organizarea spațială a embrionului, conțin același segment de ADN sub forma unei secvențe de lungime specifică conservate de 180 pb situat la părțile 3“ale genelor. Această secvență a fost numită - Homoeobox. Homeobox-ul codifică fragmentul corespunzător al moleculei proteice, lungimea a 60 de resturi AK (homeodomain). Domeniul de legare a ADN al unei polipeptide se referă la proteinele reglatoare (Domeniul este o regiune a unei polipeptide care îndeplinește o anumită funcție). Ie gene, fac parte din homeobox, au capacitatea de a reglementa activitatea altor gene prin legarea format la ADN-ul lor translație secvență AK, pornirea sau oprirea în timp ce anumite gene.
Amestecarea ADN ca o modalitate de control al activității genei.
Topirea este procesul de atașare a grupării -CH3 la nucleotidă, cu ajutorul metilacei. Aceasta este o modificare chimică reversibilă a bazelor azotate. În natură, metilarea citozinei este larg răspândită. Fiecare loc al viscolului este moștenit de ADN-ul copilului în timpul replicării. La începutul anilor '80. a fost identificată o corelație între natura expresiei genei și gradul de metilare a ADN-ului. ADN-ul genelor inactive este metilat mai puternic decât ADN-ul celor active. Meti. ADN-ul poate include suprimarea directă a transcripției prin plierea promotorului metilat într-o structură de transcriere inaccesibilă. Gradul de metilare a ADN-ului poate varia de la diferiți factori (vârsta, efectele hormonale, factorii de mediu etc.).
metilare ADN - unul dintre mecanismele de bază ale variației epigenetic - schimbări ale expresiei genelor diferențiale, moștenite într-o serie de diviziuni celulare mitotice fără modificarea secvenței primare de nucleotide de ADN. Milarea ADN modifică interacțiunea dintre ADN și proteinele care alcătuiesc cromatina. Iar această interacțiune prin mecanismul de compactare - decompactificarea cromatinei reglează expresia genelor. Numai în starea decompactată, genele, ca participanți la molecula ADN, devin disponibile pentru enzimele care transcriu.
Se presupune că metilarea ADN-ului joacă un rol important în protejarea genomului de elementele genetice mobile, precum și în inactivarea celulelor transferate în genele "extraterestre". Până la 45% din genomul uman este ocupat de gene virale și bacteriene, care, datorită metilației, sunt tăcute. Ca și în cazul metilarelor, există un fenomen cum ar fi imprimarea - memoria nucleară - dependența expresiei (expresiei) genei de cea de la care este moștenită gena. Ie În zonele genomului care sunt predispuse la imprimare, se exprimă doar o alelă - tatăl sau mama. O persoană cu un fenomen de amprentare este asociată cu o întreagă serie de boli ereditare.
Reglementarea activității genelor sub acțiunea semnalelor mediului intern.
Un exemplu este formarea de cromozomi, cum ar fi "perii de lampă" în diplotena meiotică. Meioza se oprește o lungă perioadă de timp în profeția unei meioze în stadiul de diploteni. În acest timp, în ovocite apare o sinteză intensă de ARN, enzime și substanțe proteice de nutrienți necesare pentru dezvoltarea ulterioară a oului și a embrionului. În această perioadă, cromozomii dobândesc dimensiuni gigantice și se află într-o stare foarte descompusă. În etapele ulterioare ale meiozei, cromozomii devin compacți. În stadiul de diploteni, cromozomii au o structură cromomerică. Cromozomi omologi, uniți în perechi din bivalenți. Caracterizată prin prezența parsnometrimnyh diferite bucle laterale, fiecare dintre acestea reprezentând un cromorist nesupravegheat. Buclele sunt sinteza mRNA.
Balamalele alungite și o cantitate mare de ARN transcris da neobișnuite cromozomiale „păros“ aspect - perii. Până la sfârșitul profazei, buclele se retrag din nou. In formarea buclei nu este implicat imediat întreaga lungime a ADN-ului, și în fiecare moment doar o porțiune din acest segment. Valul de despiralizare se întinde de-a lungul acestuia treptat, până când este complet transcris.
Reglarea activității genetice sub influența factorilor extreme
Mecanismul unei astfel de reglementări este furnizat prin procese care încearcă să readucă celula la starea sa anterioară. O caracteristică importantă a acestei reglementări este reversibilitatea. Genele care codifică (stres), proteine adaptive, formarea care crește în mod dramatic sub influența factorilor de stres, conținută în partea promotorilor suplimentari secvențe de nucleotide scurte. De exemplu, șocul termic produs HSP, acumularea rapidă în celula care asigură adoptatsiyu fiziologic la schimbarea condițiilor de mediu.
Sinteza HSP este un program de stres care implică șoc termic sau numeroși alți factori de stres. Ca răspuns la stres, o polipeptidă particulară, un factor de transcripție în șoc termic, se leagă la zona de reglare a genelor șocului termic și include transcripția activă a acestor gene. Rolul semnificativ al HSPs în viața celulară, spune conservatorismul lor evolutiv (în E. coli, plante, insecte, mamifere sunt similare în compoziția AK). După terminarea șocului termic, sinteza HSP se oprește, iar sinteza proteinelor normale începe. HSPs îndeplinesc funcțiile chaperonelor proteice, care contribuie la formarea configurației spațiale corecte a altor proteine.
Reglarea exprimării genelor sub influența hormonilor
Hormonii joacă, de asemenea, un rol important în reglarea expresiei genelor. Acest hormoni sexuali, epinefrina, hormoni de creștere, hormoni tiroidieni, si altele. Pentru fiecare dintre aceste grupuri sunt celule competente care conțin proteine receptor special care se leagă în mod specific molecula hormonului. Receptorii de proteine furnizează un răspuns celular la efectele diferitelor hormoni, activând sau inhibând exprimarea anumitor gene. hormoni peptidici de mari molecule nu pătrund în celule și efectele lor sunt furnizate de proteine - receptori situate pe membranele celulelor receptorilor. Complexul hormonal-receptor rezultat pătrunde în nucleu și, prin legarea la zone specifice de cromatină, îl transformă într-o stare activă din punct de vedere funcțional. Consecința acestui fapt este transcrierea genei, maturarea ARNm și transportul acestora în citoplasmă, și sinteza proteinelor.
Activitatea genetică poate fi reglată în timpul ontogenezei. Reglementarea în cascadă - incluziunea diferențiată și dezactivarea genelor în procesul de ontogeneză în diferite țesuturi și organe. Reglementarea în cascadă are loc pe fondul unei reglementări coordonate în acțiunea mai multor gene. Ie există o coordonare strictă în exprimarea timpului și a spațiului coordonat de sute de mii de gene.
Un rol important în reglarea acțiunii genelor aparține elementelor genetice mobile. Aceștia pot juca rolul migrării promotorilor prin combinarea genelor structurale și a elementelor de reglementare și adaptarea acestora la semnalele de reglementare comune.